(57)【要約】【課題】  強磁性体層の磁化の向きを変化させるために必要な消費電力が小さい磁気抵抗素子を提供する。【解決手段】  磁気抵抗素子１は、第１強磁性体層２０と第２強磁性体層４０とが、中間層３０を介して接合され、上記第１強磁性体層２０および第２強磁性体層４０の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる誘電体層１０が接合されており、上記誘電体層１０が接合されている強磁性体層は、強磁性半導体である構成である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１強磁性体層と第２強磁性体層とが、中間層を介して接合されており、上記第１強磁性体層の磁化および上記第２強磁性体層の磁化に応じた電気抵抗変化を示す磁気抵抗素子において、
上記第１強磁性体層および第２強磁性体層の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる誘電体層が接合されており、
上記誘電体層が接合されている強磁性体層は、強磁性半導体であることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
上記中間層は、絶縁体であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
上記中間層は、金属であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項４】
上記中間層は、半導体であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
上記誘電体または強誘電体は、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）Ｏ３（ただし、ｚは、０＜ｚ＜１の関係を満たす）、または、Ａｌ２Ｏ３であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
上記強磁性半導体は、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３、ＩｎＭｎＡｓ、ＧａＭｎＡｓおよび、Ｍ（Ａ−ｘ）Ｍ´ｘＯｙ（ｘは、０≦ｘ≦０．８かつｘ＜Ａの範囲の数値であり、上記Ａ、ｙはＭの種類によって変化する定数であり、上記ＭがＦｅの場合Ｍ´はＭｎ、Ｚｎの少なくとも一方であり、上記ＭがＣｒの場合Ｍ´はＭｎ、Ｚｎの少なくとも１つであり、上記ＭがＴｉの場合Ｍ´はＭｎ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｆｅの少なくとも１つであり、上記ＭがＺｎの場合Ｍ´はＭｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｆｅの少なくとも１つである）の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
上記強磁性半導体は、５０ｎｍ以下の膜厚を有する（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３であることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
上記第１強磁性体層と第２強磁性体層とのうち、一方がｐ型半導体であり、他方がｎ型半導体であることを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
第１強磁性体層と第２強磁性体層とが接合されており、上記第１強磁性体層の磁化および上記第２強磁性体層の磁化に応じた電気抵抗変化を示す磁気抵抗素子において、
上記第１強磁性体層および第２強磁性体層の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる誘電体層が接合されており、
上記誘電体層が接合されている強磁性体層は、強磁性半導体であることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項１０】
中間層を介して接合されている上記第１強磁性体層および第２強磁性体層の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる誘電体層が接合されており、上記誘電体層が接合されている強磁性体層が強磁性半導体である磁気抵抗素子の磁化を反転させる磁化反転方法であって、
上記誘電体層に電圧を印加することにより当該誘電体層と接合している強磁性体層の磁化を小さ磁化および保持力を小さくして、当該誘電体層と接合している強磁性体層の磁化の向きを反転させることを特徴とする磁化反転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、電界で書込みが可能である磁気記録素子、新機能半導体−磁気集積回路、電界制御磁気アクチュエータ等に利用可能な磁気抵抗素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子の流れを制御する半導体デバイスに加え、磁性の源であるスピンを半導体的手法により制御するスピントロニクス（スピンエレクトロニクス、マグネットエレクトロニクス、スピニクスともいう。）が発展しつつある。このスピントロニクスの発展にともない、例えばＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）や新しい発光素子等の実用化が期待される。
【０００３】
ＭＲＡＭは、磁気によってデータを記憶するメモリであり、次世代のメモリとして期待されている（例えば、特許文献１参照）。ＭＲＡＭは、不揮発性であり、かつ、データの読み書き速度が比較的速い点において、従来の半導体メモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ）では得難い利点を有している。
【０００４】
図８（ａ）および図８（ｂ）は、従来のＭＲＡＭの構成を示す概念図である。ＭＲＡＭには、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistive）素子が用いられる。ＴＭＲ素子５０は、わずか数原子分という極めて薄い絶縁物の層（絶縁体層５３）を２つの磁性体の層（第１および第２磁性体層５１・５２）で挟持したものである。このＴＭＲ素子５０では、第１および第２磁性体層５１・５２の磁化の方向によって電気抵抗が変化する。
【０００５】
例えば、ＴＭＲ素子５０に対して図８（ａ）に示す方向に電流を流すと、電線５４のＴＭＲ素子５０側には図８（ａ）中右向きの磁界が発生し、ＴＭＲ素子５０の第１磁性体層５１が発生する磁界の方向に磁化される。なお、第２磁性体層５２の磁化の方向は図８（ａ）右側に設定されており、この磁化の方向は電線５４に電流が流れることにより変化しないように設定されている。このとき、薄い絶縁体層５３をトンネル効果によって電流が流れやすくなるためＴＭＲ素子５０の抵抗値が下がる。
【０００６】
逆に、ＴＭＲ素子５０に対して図８（ｂ）に示す方向に電流を流すと、電線５４のＴＭＲ素子５０側には図８（ｂ）中左向きの磁界が発生し、ＴＭＲ素子５０の第１磁性体層５１が発生する磁界の方向に磁化される。このとき、絶縁体層５３に電流が流れにくくなるためＴＭＲ素子５０の抵抗値が上がる。
【０００７】
このような抵抗変化（ＴＭＲ効果）を利用して、例えば図８（ａ）の状態を「０」、図８（ｂ）の状態を「１」としてＴＭＲ素子５０にデータを記憶することができる。
【特許文献１】ＷＯ  ０３／０８１６８０  Ａ１（公開日；２００３年１０月２日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来の技術には次のような問題があった。
【０００９】
まず、上記ＴＭＲ素子５０の抵抗変化（ＴＭＲ効果）を利用して、データを記憶させる場合には、一方の磁性層（ここでは、第１磁性体層５１）の磁化を反転させる必要がある。このとき、上記磁性層の磁化を反転させるには、上記電線に大電流を流す必要がある。つまり、上記磁性層の磁化を反転させるためには、大きな磁界が必要であり、この磁界を発生させるためには、上記電線に大電流を流す必要がある。このため、上記ＴＭＲ素子５０にデータを記憶させるための、消費電力が大きいという問題点がある。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、強磁性体層の磁化の向きを変化させるために必要な消費電力が小さい磁気抵抗素子および磁化反転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、これらの問題点を解決すべく、磁気抵抗素子の構造について検討した結果、強磁性体層の磁化を反転させるために必要な電流を少なくするための構成を見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明にかかる磁気抵抗素子は、第１強磁性体層と第２強磁性体層とが、中間層を介して接合されており、上記第１強磁性体層の磁化および上記第２強磁性体層の磁化に応じた電気抵抗変化を示す磁気抵抗素子において、上記第１強磁性体層および第２強磁性体層の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる誘電体層が接合されており、上記誘電体層が接合されている強磁性体層は、強磁性半導体であることを特徴としている。
【００１３】
上記磁気抵抗素子は、第１強磁性体層と第２強磁性体層との磁化に応じて情報を記憶させることができる。そして、上記情報を記憶させる場合には、上記第１強磁性体層または第２強磁性体層の磁化の状態を変化させている。
【００１４】
上記の構成によれば、強磁性半導体である強磁性体層に誘電体層が接合されている。これにより、上記誘電体層に電圧を印加することで、強磁性半導体の磁化および保持力を小さくすることができる。
【００１５】
従って、上記誘電体層に電圧を印加することで、当該誘電体層と接合している強磁性体層の磁化および保持力を小さくできるので、上記第１強磁性体層または第２強磁性体層の磁化の状態を、従来の構成と比べて簡単に変化させることができる。
【００１６】
これにより、上記第１強磁性体層または第２強磁性体層の磁化の状態を変化させるために必要なエネルギー（電流）を、従来構成よりも少なくすることができる。
【００１７】
また、本発明にかかる磁気抵抗素子は、上記中間層が絶縁体である構成がより好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、上記中間層として絶縁体を用いることで、トンネル接合素子とすることができる。
【００１９】
また、本発明にかかる磁気抵抗素子は、上記中間層が金属である構成がより好ましい。
【００２０】
上記の構成によれば、上記中間層として金属を用いることで、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を得ることができる。
【００２１】
また、本発明にかかる磁気抵抗素子は、上記中間層が半導体である構成がより好ましい。
【００２２】
上記の構成によれば、上記中間層として半導体を用いることで、ＰＮＰ接合素子またはＮＰＮ接合素子を得ることができる。
【００２３】
また、本発明にかかる磁気抵抗素子は、上記誘電体または強誘電体がＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）Ｏ３（ただし、ｚは、０＜ｚ＜１の関係を満たす）、または、Ａｌ２Ｏ３である構成がより好ましい。
【００２４】
また、本発明にかかる磁気抵抗素子は、上記強磁性半導体は、上記強磁性半導体は、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３、ＩｎＭｎＡｓ、ＧａＭｎＡｓおよび、Ｍ（Ａ−ｘ）Ｍ´ｘＯｙ（ｘは、０≦ｘ≦０．８かつｘ＜Ａの範囲の数値であり、上記Ａ、ｙはＭの種類によって変化する定数であり、上記ＭがＦｅの場合Ｍ´はＭｎ、Ｚｎの少なくとも一方であり、上記ＭがＣｒの場合Ｍ´はＭｎ、Ｚｎの少なくとも１つであり、上記ＭがＴｉの場合Ｍ´はＭｎ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｆｅの少なくとも１つであり、上記ＭがＺｎの場合Ｍ´はＭｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｆｅの少なくとも１つである）の少なくとも１つである構成がより好ましい。
【００２５】
また、本発明にかかる磁気抵抗素子は、上記強磁性半導体が５０ｎｍ以下の膜厚を有する（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３である構成がより好ましい。
【００２６】
上記（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３は、厚さが薄くなるほど、強磁性転移温度が高くなる特性を有している。そして、膜厚を５０ｎｍ以下とすることにより、０℃以上で強磁性を発現させることができる。
【００２７】
また、本発明にかかる磁気抵抗素子は、上記第１強磁性体層と第２強磁性体層とのうち、一方がｐ型半導体であり、他方がｎ型半導体である構成がより好ましい。
【００２８】
上記の構成とすることにより、ｐｉｎ接合素子（ｉ：絶縁体）を得ることができる。
【００２９】
また、本発明にかかる磁気抵抗素子は、第１強磁性体層と第２強磁性体層とが接合されており、上記第１強磁性体層の磁化および上記第２強磁性体層の磁化に応じた電気抵抗変化を示す磁気抵抗素子において、上記第１強磁性体層および第２強磁性体層の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる誘電体層が接合されており、上記誘電体層が接合されている強磁性体層は、強磁性半導体であることを特徴としている。
【００３０】
上記磁気抵抗素子は、第１強磁性体層と第２強磁性体層との磁化に応じて情報を記憶させることができる。そして、上記情報を記憶させる場合には、上記第１強磁性体層または第２強磁性体層の磁化の状態を変化させている。
【００３１】
上記の構成によれば、強磁性半導体である強磁性体層に誘電体層が接合されている。これにより、上記誘電体層に電圧を印加することで、強磁性半導体の磁化および保持力を小さくすることができる。
【００３２】
従って、上記誘電体層に電圧を印加することで、当該誘電体層と接合している強磁性体層の磁化および保持力を小さくできるので、上記第１強磁性体層または第２強磁性体層の磁化の状態を、従来の構成と比べて簡単に変化させることができる。
【００３３】
これにより、上記第１強磁性体層または第２強磁性体層の磁化の状態を変化させるために必要なエネルギー（電流）を、従来構成よりも少なくすることができる。
【００３４】
また、本発明にかかる磁化反転方法は、中間層を介して接合されている上記第１強磁性体層および第２強磁性体層の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる誘電体層が接合されており、上記誘電体層が接合されている強磁性体層が、強磁性半導体である磁気抵抗素子の磁化を反転させる磁化反転方法であって、上記誘電体層に電圧を印加することにより当該誘電体層と接合している強磁性体層の磁化および保持力を小さくして、当該誘電体層と接合している強磁性体層の磁化の向きを反転させることを特徴としている。
【００３５】
上記の構成によれば、電圧を印加することにより当該誘電体層と接合している強磁性体層の磁化および保持力を小さくして、その小さくなった強磁性体層の磁化の向きを反転させている。より具体的には、外部から磁場を発生させることで上記強磁性体層の磁化の向きを反転させている。このとき、誘電体層に電圧を印加することで、強磁性体層の磁化および保持力を小さくしているので、当該強磁性体層の磁化の向きを反転させるために必要なエネルギーを小さくすることができる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明にかかる磁気抵抗素子は、第１強磁性体層と第２強磁性体層とが、中間層を介して接合されており、上記第１強磁性体層の磁化および上記第２強磁性体層の磁化に応じた電気抵抗変化を示す磁気抵抗素子において、上記第１強磁性体層および第２強磁性体層の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる誘電体層が接合されており、上記誘電体層が接合されている強磁性体層は、強磁性半導体である構成である。
【００３７】
それゆえ、上記誘電体層に電圧を印加することで、当該誘電体層と接合している強磁性体層の磁化および保持力を小さくできるので、上記第１強磁性体層または第２強磁性体層の磁化の状態を、従来の構成と比べて簡単に変化させることができる。これにより、上記第１強磁性体層または第２強磁性体層の磁化の状態を変化させるために必要なエネルギー（電流）を、従来構成よりも少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
本発明の実施の一形態について説明すれば、以下の通りである。
【００３９】
本実施の形態にかかる磁気抵抗素子は、第１強磁性体層と第２強磁性体層とが、中間層を介して接合されており、上記第１強磁性体層および第２強磁性体層の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる誘電体層（以下、（強）誘電体層と称する）が接合されてなる構成である。
（第１強磁性体層および第２強磁性体層）
上記第１強磁性体層および第２強磁性体層は、強磁性を示すものである。そして、第１強磁性体層および／または第２強磁性体層が、後述する（強）誘電体層と接合している場合には、当該第１強磁性体層および／または第２強磁性体層は、強磁性半導体である。この上記強磁性半導体とは、強磁性を示すとともに、電気（電流）が流れる特性を有し、そのキャリア濃度を電界および／または光等を用いて制御できるものである。つまり、本発明における（強）誘電体層と接合していると接合している「強磁性体層」は、強磁性半導体を示す。なお、（強）誘電体層と接合していない「強磁性体層」は、強磁性絶縁体でもよいが、強磁性金属体または強磁性半導体であることがより好ましい。
【００４０】
上記第１強磁性体層および第２強磁性体層を構成する材料は、互いに同じものであってもよく、異なっていてもよい。
【００４１】
上記強磁性半導体には、強磁性ｎ型半導体と強磁性ｐ型半導体とが含まれる。このうち、上記強磁性ｎ型半導体を構成する材料としては、例えば、Ｆｅ３Ｏ４、Ｍ（Ａ−ｘ）Ｍ´ｘＯｙ（ｘは、０≦ｘ≦０．８かつｘ＜Ａの範囲の数値であり、上記Ａ、ｙはＭの種類によって変化する定数であり、上記ＭがＦｅの場合Ｍ´はＭｎ、Ｚｎの少なくとも一方であり、上記ＭがＣｒの場合Ｍ´はＭｎ、Ｚｎの少なくとも１つであり、上記ＭがＴｉの場合Ｍ´はＭｎ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｆｅの少なくとも１つであり、上記ＭがＺｎの場合Ｍ´はＭｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｆｅの少なくとも１つである）等が挙げられる。
【００４２】
一方、強磁性ｐ型半導体を構成する材料としては、例えば、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３、（Ｌａ,Ｓｒ）ＭｎＯ３、（Ｌａ,Ｃａ）ＭｎＯ３、ＩｎＭｎＡｓ、ＧａＭｎＡｓ等が挙げられる。
【００４３】
上記例示の強磁性ｐ型半導体が（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３である場合、その組成については、特に、（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３（ただし、ｘは、０．１０＜ｘ＜０．３０の関係を満たす）ことがより好ましい。上記範囲の関係を満たす（Ｌａ１−ｘＢａｘ）ＭｎＯ３は、０℃以上で強磁性を示すとともに、より一層広い磁性転移温度変化を得ることができる。
【００４４】
また、上記（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３は、厚さが薄くなるほど、強磁性転移温度が高くなる特徴を有している。従って、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３を第１強磁性体層および／または第２強磁性体層として用いる場合には、その膜厚はより薄いことが好ましい。具体的には、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３を第１強磁性体層および／または第２強磁性体層として用いる場合には、その膜厚は５０ｎｍ以下が好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましく、５ｎｍ以下が特に好ましい。上記膜厚を５０ｎｍ以下とすることにより、０℃以上で強磁性を発現させることができる。
【００４５】
上記強磁性金属体としては、例えば、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ等が挙げられる。また、強磁性絶縁体としては、例えば、ＮｉＦｅ２Ｏ４、（Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ）３Ｏ４、ＬａＦｅＯ３等が挙げられる。
（中間層）
上記中間層は、絶縁体、金属または半導体によって構成されている。上記中間層が絶縁体で構成されている場合、この絶縁体としては、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＣｅＯ２、ＳｉＯ２、絶縁性有機薄膜等が挙げられる。上記中間層を絶縁体とすることにより、上記第１強磁性体層の磁化および上記第２強磁性体層の磁化に応じたトンネル磁気抵抗を示すトンネル磁気抵抗素子を製造することができる。
【００４６】
また、上記中間層が金属で構成されている場合、この金属としては、例えば、Ｃｕ、ＳｒＴｉＯ３にＬａおよび／またはＮｂをドープしたもの（ドープ量が例えば１重量％以上）、ＳｒＴｉＯ３に酸素欠損を導入したもの、ＬａＮｉＯ３等が挙げられる。上記中間層を金属とすることにより、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を得ることができる。
【００４７】
また、上記中間層が半導体で構成されている場合、この半導体としては、例えば、
有機半導体（Ａｌｑ３、フタロシアニン化合物）、ＳｒＴｉＯ３にＬａおよび／またはＮｂをドープしたもの（ドープ量が例えば１重量％よりも少ない）等が挙げられる。そして、上記中間層をｎ型半導体とし、第１強磁性体層および第２強磁性体層をｐ型強磁性半導体とすることにより、ＰＮＰ接合素子を得ることができる。また、上記中間層をｐ型半導体とし、第１強磁性体層および第２強磁性体層をｎ型強磁性半導体とすることにより、ＮＰＮ接合素子を得ることができる。
（（強）誘電体層）
上記（強）誘電体層は、強誘電体または誘電体から構成されている。上記誘電体層を構成している強誘電体または誘電体としては、特に限定されるものではなく、種々のものが使用できる。
【００４８】
上記誘電体としては、具体的には、ＳｒＴｉＯ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等が挙げられる。上記例示の誘電体のうち、誘電率の大きさ、入手のし易さの点でＳｒＴｉＯ３がより好ましい。
【００４９】
また、上記強誘電体としては、具体的には、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）Ｏ３（ただし、ｚは、０＜ｚ＜１の関係を満たす）、ＢａＴｉＯ３等が挙げられる。上記例示の強誘電体のうち、誘電分極の大きさの点でＰｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３がより好ましい。
（磁気抵抗素子）
図１は、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１の概略の構成を示す斜視図である。上記磁気抵抗素子１は、第２強磁性体層４０、中間層３０、第１強磁性体層２０および（強）誘電体層１０がこの順に積層されている。そして、それぞれの層同士は互い接合（ヘテロ接合）されている。なお、以下の説明では、上記第１強磁性体層２０および第２強磁性体層４０のうち、第１強磁性体層２０のみに（強）誘電体層１０が接合されており、かつ、中間層３０が絶縁体である例について説明する。
【００５０】
上記磁気抵抗素子１において、（強）誘電体層１０とヘテロ接合している第１強磁性体層２０は、強磁性半導体である。上記強磁性半導体としては、上記強磁性ｐ型半導体および強磁性ｎ型半導体が挙げられる。この強磁性半導体は、電圧をかけると磁性が変化する特性を有している。
【００５１】
そして、上記磁気抵抗素子１は、第１強磁性体層２０と第２強磁性体層４０とが絶縁体を介してヘテロ接合されているトンネル接合構造を有しているために、第１強磁性体層２０（または第２強磁性体層４０）の磁化の方向を反転させることにより、不揮発性磁気メモリとして使用することができる。また、上記磁気抵抗素子１は、上記第１強磁性体層２０と（強）誘電体層１０とがヘテロ接合されている電界効果トランジスタ構造を有しているために、上記（強）誘電体層１０に電圧を印加することにより、第１強磁性体層２０の磁化の強度を変化させることができる。
【００５２】
そして、上記磁気抵抗素子１は、トンネル接合構造と電界効果トランジスタ構造とを組み合わせたものである。従って、上記磁気抵抗素子１は、第１強磁性体層２０と（強）誘電体層１０とがヘテロ接合されているために、第１強磁性体層２０の磁化の強度を変化させることができるので、磁化の方向を反転させるために必要なエネルギーを少なくすることができる。以下、これについて説明する。
【００５３】
図２は、保磁力と磁化の強度との関係を示すグラフであり、（ａ）は上記磁気抵抗素子１における（強）誘電体層１０へ電圧を印加しない場合におけるグラフであり、（ｂ）は上記磁気抵抗素子１における（強）誘電体層１０へ電圧を印加した場合におけるグラフである。
【００５４】
上記磁気抵抗素子１において、第１強磁性体層２０のキャリアが欠乏するように、（強）誘電体層１０に対して電界（電圧）を印加する、換言すると、（強）誘電体層１０に対して逆バイアスをかけると、図２（ｂ）に示すように、上記第１強磁性体層２０の強磁性が不安定化し、保持力が小さくなる（消失する）。つまり、上記第１強磁性体層２０のキャリアが欠乏するように、（強）誘電体層１０に対して電界を印加すると、保磁力が小さくなるために、当該第１強磁性体層２０の磁化の方向を反転させるためのエネルギーを小さくすることができる。このため、従来と比べて低消費電力で、上記磁気抵抗素子１に情報の書き込みを行うことができる。
【００５５】
一方、上記磁気抵抗素子１において、第１強磁性体層２０のキャリアが誘起されるように、（強）誘電体層１０に対して電界（電圧）を印加する、換言すると、（強）誘電体層１０に対して正バイアスをかけると、強磁性を安定化させることができ、保持力を大きくすることができる。つまり、上記第１強磁性体層２０のキャリアが誘起されるように、（強）誘電体層１０に対して電界を印加することにより、記憶情報の安定した保持を行うことができる。
【００５６】
図３は、上記磁気抵抗素子１における磁化反転方法について説明する図面である。この図面を参照して上記磁気抵抗素子１の第１強磁性体層２０の磁化方向を反転させる方法について説明する。
【００５７】
ここで、（強）誘電体層１０に電圧を印加していない状態の場合、図３（ａ）に示すように、第１強磁性体層２０と第２強磁性体層４０との磁化の方向はそれぞれ同じであるとする。
【００５８】
次に、図３（ｂ）に示すように、上記（強）誘電体層１０に電圧をかける。具体的には、第１強磁性体層２０のキャリアが欠乏するように上記（強）誘電体層１０に対して逆バイアスをかけると、第１強磁性体層２０の保磁力は小さくなる。
【００５９】
そして、この状態で、上記第１強磁性体層２０の磁化の方向を反転させるために当該第１強磁性体層２０に対して磁場をかける。より具体的には、図示しないリード線に電流を流すことにより磁場を発生させて、この磁場によって第１強磁性体層２０の磁化の方向を反転させる（図３（ｃ）参照）。このとき、上記第１強磁性体層２０の磁化の強度は、上記（強）誘電体層１０に対して逆バイアスをかけているために、逆バイアスをかけていない場合と比べて小さくなっている。このため、第１強磁性体層２０の磁化を反転させるために必要な磁場の大きさは、（強）誘電体層１０に対して逆バイアスをかけていない場合と比べて小さくてすむ。このため、上記リード線に流す電流の大きさを小さくすることができる。
【００６０】
そして、上記（強）誘電体層１０への電圧の印加を終了することで、図３（ｄ）に示すように、第１強磁性体層２０の磁化の強度は強くなる（（強）誘電体層１０へ電圧を印加する前と同じになる）。上記方法により、従来よりも低消費電力で、上記磁気抵抗素子１の磁化を反転させることができる。
【００６１】
次に、上記磁気抵抗素子１を実際に動作させるためのデバイスとした場合について説明する。図４は、上記磁気抵抗素子１を用いたデバイス（以下、磁気抵抗デバイスと称する）の概略構成を示す斜視図である。
【００６２】
磁気抵抗デバイスは、図４に示すように、上記磁気抵抗素子１の（強）誘電体層１０に下部電極１１を設け、第２強磁性体層４０に読出し電極（＋）１２を設け、第１強磁性体層２０における上記中間層３０が形成されていない領域に読出し電極（−）１３を設けている。
【００６３】
このとき、上記第２強磁性体層４０は、例えば、Ｆｅ３Ｏ４等の材料により構成されており、固定強磁性体層（磁性の強さが変化しない層）として働く。そして、上記中間層３０は、例えばＳｒＴｉＯ３等の絶縁体により構成されており、トンネルバリア層として働く。また、上記第１強磁性体層２０と（強）誘電体層１０とは、ヘテロ接合されており、電界強磁性制御層（電界によって磁性の強さが変化する層）として働く。そして、上記第１強磁性体層２０としては、例えば、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３等が用いられる。また、（強）誘電体層１０としては、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）Ｏ３（ただし、ｚは、０＜ｚ＜１の関係を満たす）等が用いられる。また、上記下部電極１１としては、ＮｂがドープされたＳｒＴｉＯ３等が用いられ、上記読出し電極（＋）１２としては、例えば、Ｉｎ等の材料が用いられ、上記読出し電極（−）１３としては、例えば、Ａｕ等の材料が用いられる。
【００６４】
そして、上記構成の磁気抵抗素子１は、第１強磁性体層２０としてｐ型半導体を用い、上記中間層３０として絶縁体を用い、上記第１強磁性体層２０としてｎ型半導体を用いているので、これに逆方向バイアスを印加することで空乏層が形成され、この空乏層を介してトンネル電流を生じさせることができる。また、第１強磁性体層２０および第１強磁性体層２０は強磁性体であるので外部から磁場を印加することにより、第１強磁性体層２０および第１強磁性体層２０の磁化を制御することができ、これによりトンネル電流のトンネル磁気抵抗を制御することができる。
（磁気抵抗素子１の製造方法）
ここで、上記磁気抵抗素子１の製造方法について説明する。上記磁気抵抗素子１は、第２強磁性体層４０、中間層３０、第１強磁性体層２０、および、（強）誘電体層１０がこの順に積層されている。そして、積層されている各層同士が互いにヘテロ接合されている。上記磁気抵抗素子１を製造するには、各層の特性が失われることなく、当該各層をヘテロ接合することができれば、どのような製造方法を用いてもよい。そして、各層の特性を失わせることなくヘテロ接合するためには、例えば、第２強磁性体層４０と中間層３０とヘテロ接合したものと、第１強磁性体層２０と（強）誘電体層１０とをヘテロ接合したものとを用いて、上記中間層３０と第１強磁性体層２０とをヘテロ接合すればよい。
【００６５】
具体的な手法としては、例えば、レーザアブレーション法、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、レーザＭＢＥ法、スパッタ法、ＣＶＤ法等を用いて製造すればよい。
（磁気抵抗素子１の特性）
ここで、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１の構成が、従来の磁気抵抗素子１（強磁性体／中間層３０／強磁性体層）（以下、従来素子と称する）と比べて、消費電力を低減させることができる理由について説明する。
【００６６】
図５は、（強）誘電体層１０としてＰｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３を用い、強磁性体層（第１強磁性体層２０）として（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３を用いて作製された電界効果トランジスタ構造における、室温（２８２Ｋ）で電圧印加による強磁性転移温度の変化を示すグラフである。
【００６７】
図５に示すように、上記電界効果トランジスタ構造において、電圧（電界）の印加にともなって強磁性転移温度が変化していることがわかる。より具体的には、電圧をかければかけるほど、強磁性転移温度は高くなっている。
【００６８】
図６は、温度を変化させた場合における磁界の強度と強磁性体層の磁化の強度との関係を示すグラフである。図６に示すように、温度が高くなるにつれて磁化が小さくなることが分かる。また、温度が高くなるにつれて、磁化の向きを反転させるために必要な磁界が少なくなることが分かる。また、図６の結果より、転移温度変化（図中では２９９Ｋから３０８Ｋまでの最大９Ｋ）により、保磁力が４〜５〔Ｏｅ〕減少し、ほぼ０〔Ｏｅ〕まで、保持力を減少できることが分かる。
【００６９】
そして、図５と図６との結果より、（強）誘電体に電圧をかければかけるほど、強磁性体層における磁化の向きを反転させるために必要な磁界（磁場）を小さくすることができることが分かる。
【００７０】
この結果に基づいて、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１が、従来素子と比べてどの程度、低消費電力が可能であるかを示すシミュレーション結果を図７に示す。
【００７１】
図７は、強磁性体層の磁化の向きを反転させるために必要な電流と保持力（Ｈｃ）との関係を示すグラフである。なお、このグラフの磁化の向きを反転させるために必要な電流については、Ｉ＝４πＨｃを基に算出している。従来素子では、強磁性体の保持力が高いほど大電流が必要になることが分かる。しかし、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１は、（強）誘電体層１０に電圧を印加することにより、保持力を減少させることができるので、強磁性体層の磁化の向きを反転させるために必要な電流を小さくすることができる。なお、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１では、上記（強）誘電体層１０に電圧を印加する必要があるので、従来素子と比べて、消費電力を１／１０程度にすることができる。
【００７２】
以上のように、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１は、第１強磁性体層２０と第２強磁性体層４０とが、中間層３０を介して接合されており、上記第１強磁性体層２０の磁化および上記第２強磁性体層４０の磁化に応じた電気抵抗変化を示す磁気抵抗素子１において、上記第１強磁性体層２０および第２強磁性体層４０の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる（強）誘電体層１０が接合されており、上記（強）誘電体層１０が接合されている強磁性体層は、強磁性半導体であることを特徴としている。
【００７３】
上記磁気抵抗素子１は、第１強磁性体層２０と第２強磁性体層４０との磁化に応じて情報を記憶させることができる。そして、上記情報を記憶させる場合には、上記第１強磁性体層２０または第２強磁性体層４０の磁化の状態を変化させている。
【００７４】
上記の構成によれば、強磁性半導体である強磁性体層に（強）誘電体層１０が接合されている。これにより、上記（強）誘電体層１０に電圧を印加することで、強磁性半導体の磁化および保持力を小さくすることができる。
【００７５】
従って、上記（強）誘電体層１０に電圧を印加することで、当該（強）誘電体層１０と接合している強磁性体層の磁化および保持力を小さくできるので、上記第１強磁性体層２０または第２強磁性体層４０の磁化の状態を、従来の構成と比べて簡単に変化させることができる。
【００７６】
これにより、上記第１強磁性体層２０または第２強磁性体層４０の磁化の状態を変化させるために必要なエネルギー（電流）を、従来構成よりも少なくすることができる。
【００７７】
また、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１は、上記中間層３０が絶縁体である構成がより好ましい。上記の構成によれば、上記中間層３０として絶縁体を用いることで、トンネル接合素子とすることができる。
【００７８】
また、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１は、上記中間層３０が金属である構成がより好ましい。上記の構成によれば、上記中間層３０として金属を用いることで、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を得ることができる。
【００７９】
また、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１は、上記中間層３０が半導体である構成がより好ましい。上記の構成によれば、上記中間層３０として半導体を用いることで、ＰＮＰ接合素子またはＮＰＮ接合素子を得ることができる。
【００８０】
また、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１は、上記誘電体または強誘電体がＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、（Ｂａ１−ｙＳｒｙ）ＴｉＯ３（ただし、ｙは、０＜ｙ＜１の関係を満たす）、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｚＴｉｚ）Ｏ３（ただし、ｚは、０＜ｚ＜１の関係を満たす）、または、Ａｌ２Ｏ３である構成がより好ましい。
【００８１】
また、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１は、上記強磁性半導体は、（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３、ＩｎＭｎＡｓ、ＧａＭｎＡｓおよび、Ｍ（Ａ−ｘ）Ｍ´ｘＯｙ（ｘは、０≦ｘ≦０．８かつｘ＜Ａの範囲の数値であり、上記Ａ、ｙはＭの種類によって変化する定数であり、上記ＭがＦｅの場合Ｍ´はＭｎ、Ｚｎの少なくとも一方であり、上記ＭがＣｒの場合Ｍ´はＭｎ、Ｚｎの少なくとも１つであり、上記ＭがＴｉの場合Ｍ´はＭｎ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｆｅの少なくとも１つであり、上記ＭがＺｎの場合Ｍ´はＭｎ、Ｃｏ、Ｖ、Ｆｅの少なくとも１つである）の少なくとも１つである構成がより好ましい。
【００８２】
また、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１は、上記強磁性半導体が５０ｎｍ以下の膜厚を有する（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３である構成がより好ましい。
【００８３】
上記（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３は、厚さが薄くなるほど、強磁性転移温度が高くなる特性を有している。そして、膜厚を５０ｎｍ以下とすることにより、０℃以上で強磁性を発現させることができる。
【００８４】
また、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１は、上記第１強磁性体層２０と第２強磁性体層４０とのうち、一方がｐ型半導体であり、他方がｎ型半導体である構成がより好ましい。上記の構成とすることにより、ｐｉｎ接合素子（ｉ：絶縁体）を得ることができる。
【００８５】
また、本実施の形態にかかる磁気抵抗素子１は、第１強磁性体層２０と第２強磁性体層４０とが接合されており、上記第１強磁性体層２０の磁化および上記第２強磁性体層４０の磁化に応じた電気抵抗変化を示す磁気抵抗素子１において、上記第１強磁性体層２０および第２強磁性体層４０の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる（強）誘電体層１０が接合されており、上記（強）誘電体層１０が接合されている強磁性体層は、強磁性半導体である構成がより好ましい。
【００８６】
上記磁気抵抗素子１は、第１強磁性体層２０と第２強磁性体層４０との磁化に応じて情報を記憶させることができる。そして、上記情報を記憶させる場合には、上記第１強磁性体層２０または第２強磁性体層４０の磁化の状態を変化させている。
【００８７】
上記の構成によれば、強磁性半導体である強磁性体層に（強）誘電体層１０が接合されている。これにより、上記（強）誘電体層１０に電圧を印加することで、強磁性半導体の磁化および保持力を小さくすることができる。
【００８８】
従って、上記（強）誘電体層１０に電圧を印加することで、当該（強）誘電体層１０と接合している強磁性体層の磁化および保持力を小さくできるので、上記第１強磁性体層２０または第２強磁性体層４０の磁化の状態を、従来の構成と比べて簡単に変化させることができる。
【００８９】
これにより、上記第１強磁性体層２０または第２強磁性体層４０の磁化の状態を変化させるために必要なエネルギー（電流）を、従来構成よりも少なくすることができる。
【００９０】
また、本実施の形態にかかる磁化反転方法は、中間層３０を介して接合されている上記第１強磁性体層２０および第２強磁性体層４０の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる（強）誘電体層１０が接合されており、上記（強）誘電体層１０が接合されている強磁性体層が、強磁性半導体である磁気抵抗素子１の磁化を反転させる磁化反転方法であって、上記（強）誘電体層１０に電圧を印加することにより当該（強）誘電体層１０と接合している強磁性体層の磁化および保持力を小さくして、当該（強）誘電体層１０と接合している強磁性体層の磁化の向きを反転させることを特徴としている。
【００９１】
上記の構成によれば、電圧を印加することにより当該（強）誘電体層１０と接合している強磁性体層の磁化および保持力を小さくして、その小さくなった強磁性体層の磁化の向きを反転させている。より具体的には、外部から磁場を発生させることで上記強磁性体層の磁化の向きを反転させている。このとき、（強）誘電体層１０に電圧を印加することで、強磁性体層の磁化および保持力を小さくしているので、当該強磁性体層の磁化の向きを反転させるために必要なエネルギーを小さくすることができる。
【００９２】
なお、上記の説明では、第１強磁性体層２０のみに（強）誘電体層１０が接合（ヘテロ接合）されている例について説明したが、例えば、上記構成に加えて、さらに、第２強磁性体層４０にも（強）誘電体層１０がヘテロ接合されていてもよい。つまり、上記磁気抵抗素子１の構成としては、例えば、第２強磁性体層４０／中間層３０／第１強磁性体層２０／（強）誘電体層１０の４層構造でもよく、第２（強）誘電体層１０／第２強磁性体層４０／中間層３０／第１強磁性体層２０／第１（強）誘電体層１０の５層構造でもよく、第２強磁性体層４０／第１強磁性体層２０／（強）誘電体層１０の３層構造でもよく、第２（強）誘電体層１０／第２強磁性体層４０／第１強磁性体層２０／第１（強）誘電体層１０の４層構造でもよい。なお、第２（強）誘電体層１０および第１（強）誘電体層１０を構成している材料としては互いに同じであってもよく、異なっていてもよい。
【００９３】
つまり、本発明にかかる磁気抵抗素子１は、第１強磁性体層２０と第２強磁性体層４０とが接合されており、上記第１強磁性体層２０の磁化および上記第２強磁性体層４０の磁化に応じた電気抵抗変化を示す磁気抵抗素子１において、上記第１強磁性体層２０および第２強磁性体層４０の少なくとも一方の強磁性体層に、誘電体または強誘電体からなる誘電体層が接合されており、上記誘電体層が接合されている強磁性体層は、強磁性半導体である構成であってもよい。
【００９４】
また、この場合、第１強磁性体層２０および第２強磁性体層４０のうち、一方を強磁性ｐ型半導体、他方を強磁性ｎ型半導体とすることで、ｐ−ｎ接合素子とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明にかかる磁気抵抗素子は、例えば、トンネル接合素子（ＴＭＲ）、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）や半導体接合素子等に好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本実施の形態にかかる磁気抵抗素子の概略の構成を示す斜視図である。
【図２】保磁力と磁化の強度との関係を示すグラフであり、（ａ）は上記磁気抵抗素子における（強）誘電体層へ電圧を印加しない場合におけるグラフであり、（ｂ）は上記磁気抵抗素子における（強）誘電体層へ電圧を印加した場合におけるグラフである。
【図３】上記磁気抵抗素子における磁化反転方法について説明する図面である。
【図４】上記磁気抵抗素子を用いたデバイス（以下、磁気抵抗デバイスと称する）の概略構成を示す斜視図である。
【図５】（強）誘電体層としてＰｂ（Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３を用い、強磁性体層（第１強磁性体層）として（Ｌａ,Ｂａ）ＭｎＯ３を用いて作製された電界効果トランジスタ構造における、室温（２８２Ｋ）で電圧印加による強磁性転移温度の変化を示すグラフである。
【図６】温度を変化させた場合における磁界の強度と強磁性体層の磁化の強度との関係を示すグラフである。
【図７】強磁性体層の磁化の向きを反転させるために必要な電流と保持力（Ｈｃ）との関係を示すグラフである。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、従来のＭＲＡＭの構成を示す概念図である。
【符号の説明】
【００９７】
１  磁気抵抗素子
１０  誘電体層
１１  下部電極
１２  読出し電極
１３  読出し電極
２０  第１強磁性体層
３０  中間層
４０  第２強磁性体層
【図１】
2006286713.tif 000003
【図２】
2006286713.tif 000004
【図３】
2006286713.tif 000005
【図４】
2006286713.tif 000006
【図５】
2006286713.tif 000007
【図６】
2006286713.tif 000008
【図７】
2006286713.tif 000009
【図８】
2006286713.tif 000010